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Ultrasound sensors should be embedded into concrete for monitoring concrete properties. These new longitudinal wave sensors with a center frequency of 60 kHz were examined regarding their suitability for ultrasonic measurements in concrete structures in terms of emission characteristics, sensitivity and frequency ränge.
For the measurement of the radiation patterns, the sensors were embedded vertically and horizontally in concrete cylinders. The directivity pattern was measured using a laser vibrometer.
The sensitivity of the sensor was determined in water using different sensors of the same type. It shows changes in the signal amplitude as well as variations in the frequency ränge for different transmitter-receiver combinations.
The attenuation of the concrete affects the achievable resolution of the measurements and thus, the maximum possible spacing of the sensors within a concrete element. Experimental tests helped optimizing the distances with respect to the required resolution and the effort of embedding the sensors. The signal attenuation in the concrete was measured in the frequency ränge of 60 kHz in response to various degrees of reinforcement and grain size. For this purpose, the sensors were cast at different distances in the specimens studied. The recorded Signals were evaluated for their amplitude and frequency spectrum.
Ultraschallmessverfahren werden seit Langem erfolgreich für Prüfaufgaben, wie zum Beispiel die Ermittlung von Bauteilgeometrien, im Bauwesen eingesetzt. Um die Schallbündelung der Prüfköpfe zu verbessern, werden oft mehrere Prüfköpfe in einem Array angeordnet. Für die Entwicklung der Prüfkopfarrays ist es zweckmäßig, mithilfe von Modellierungen den Einfluss der Arraygröße, der Anordnung der Einzelprüfköpfe im Array und der Prüffrequenz auf das Schallfeld zu untersuchen. Dazu werden in der Praxis erfolgreich Modellierungen auf der Basis der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) und der Punktquellensynthese angewendet. Beim Aufbau der Arrays kommen zurzeit immer häufiger Transversal-Punktkontaktprüfköpfe zur Anwendung. Daher wird bei der Beschreibung der Schallfeldberechnung insbesondere auf die der Transversalwellenprüfköpfe eingegangen und mithilfe von Modellierungen und Experimenten gezeigt, wie sich die Prüfkopfpositionierung auf die Richtcharakteristik auswirkt.
Für Ultraschallmessungen in Betonbauteilen wurden neuartige radialsymmetrisch abstrahlende Longitudinalwellenprüfköpfe mit einer Mittenfrequenz von 60 kHz auf deren Eignung hinsichtlich Abstrahlcharakteristik, Empfindlichkeit und Frequenzspektrum untersucht.
Für die Messung der Abstrahlcharakteristiken wurden die Prüfköpfe vertikal und horizontal in Betonzylinder eingebettet und die Richtungsabhängigkeiten der Schallschnelle mithilfe eines Laservibrometers gemessen.
Die Streuung der Prüfkopfempfindlichkeit wurde im Wasserbad unter Verwendung verschiedener Köpfe gleicher Bauart bestimmt. Außer Änderungen der Signalamplituden zeigten sich auch Schwankungen im Frequenzbereich bei verschiedenen Sender-Empfängerkombinationen.
Die Schallschwächung des Betons hat Einfluss auf die erreichbare Auflösung der Messungen und damit auf die maximal möglichen Senderabstände im Bauteil. Durch experimentelle Untersuchungen und Simulationen erfolgte eine Optimierung der Abstände hinsichtlich des Aufwandes und der geforderten Auflösung. Die Signalschwächung im Beton wurde mit verschiedenen Impulsen im Frequenzbereich von 50 kHz bis 100 kHz in Abhängigkeit verschiedener Bewehrungsgrade und Korngrößen ermittelt. Hierfür wurden die Sensoren in unterschiedlichen Abständen in die Probekörper einbetoniert und die Empfangssignale hinsichtlich Amplitudenabfall und Frequenzspektrum untersucht.
Nuclear Power Plants have been in operation for ca. 50 years. Based on this experience, non-destructive testing tasks specific to thick and highly reinforced nuclear containment structures have materialized. The performance based Service life extension of existing NPPs also needs a measurement based decision to support continuing the service of the concrete part of the installations.
By nature, concrete is a very durable material and any natural Deterioration processes may take a long time to become critical to the structure. The experience of more than 50 years of service limits the testing tasks to a few ones which are not yet solved.
Research in NDT of concrete structures is performed by many research institutions all over the world with different technical and systematic approaches. Results are mainly obtained on laboratory specimens, sometimes additional field studies are reported. This research takes place independently without coordination and as a result, the outcomes mostly lack full comparability.
Software for data analysis has become indispensable and very powerful. This part of testing needs more attention when it comes to evaluate test results. Validation of NDE solutions is becoming a critical part in concrete structure testing.
Validation is by definition the proof that a customer´s requirements in the test are being met by the testing solution. This includes equipment, personnel qualification and data analysis. In the following tables, the research recommendation Validation is used in the sense, that proof of the performance of existing solutions needs to be adressed. In general, a validation methodology for NDE solutions for concrete testing in itself needs to be researched and established.
Comparability of research also needs an accepted and easily accessible reference. From experience, it is almost impossible to manufacture exact copies of test specimens at different locations. Round Robin tests are therefore needed to evaluate the performance of a test.
Data evaluation is generally done using dedicated software, sometimes Hardware dependant and not interchangeable between systems. Software is ever more increasingly becoming more powerful and sophisticated. An in-depth evaluation needs to address the comparability and validation of Software used for data analysis and evaluation. The vision of a unified software pool for NDE investigations would undoubtedly support research tremendously.
Quantitative NDE is mostly recommended to assess the condition of a structure. However, qualitative data can be very useful, especially for processes which change the material properties or deteriorate the structure (e.g. corrosion of reinforcement). The need for reliable baseline data is a key factor for such monitoring tasks.